卫星导航技术现已渗入生产生活各个方面, 在诸如通信、电网、工程监测乃至国家安全等重要领域发挥着重要作用.

我国自主研制的北斗二代卫星导航系统经过多年发展, 现已开放服务, 在亚太地区已达到与GPS系统相当的精度水平. 未来的三代北斗能否实现技术上的领先, 将直接影响其在上述领域的应用与竞争力. 清华大学的研究者最近给出了具有创新性的整体设计方案, 可将北斗系统的定位精度提升至3 cm水平, 时间同步精度至100 ps, 相比GPS现阶段3 m的精度水平提高两个数量级.

这项研究由清华大学王力军教授为通讯作者完成, 发表于《SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy》2014年第9期.

在卫星导航系统中, 卫星负责广播导航信号, 其中包含信号发射的时间信息和卫星的位置信息; 用户接收到导航信号后, 可以根据信号延迟解算出到相应卫星的距离(伪距); 用户通过综合多颗卫星的信息, 用户就可以定出自身的位置和校准自己的时钟. 在卫星导航系统中, 卫星位置精度和时间精度, 是决定卫星导航精度的关键, 它们分别取决于卫星轨道观测精度及星载钟时间同步精度.

我国的北斗系统与国际上其他三套全球卫星导航系统的星座设计有很大不同, 采用了同步轨道、倾斜同步轨道和中轨道混合星座的设计, 而GPS等则全部采用中轨道卫星. 清华大学提出的方案将充分利用北斗系统独有的同步轨道卫星, 利用高精度的锁相同步技术同步三代北斗卫星系统内所有星载钟, 提高时间精度. 并且利用时间、频率信号在星间链路的传递, 对卫星位置与速度进行实时高精度监测, 提高位置(星历)精度. 这两项关键技术的应用可实现系统性能的整体提升. 根据基于现阶段技术水平的理论计算表明, 预计这一设计将使北斗三代的定位精度达到3 cm, 时间同步精度达到100 ps.

实现精度如此之高的卫星导航系统, 将对测地学等学科有革命性的影响, 在地质灾害预警、大型工程监测等领域有着重大应用, 还将为与人们的生活息息相关的导航、物流等向更加精细化发展提供技术基础.

该项研究得到了国家科技部、清华大学和中国计量科学研究院的资助.

论文链接：WANG ZhengBo, ZHAO Lu, WANG ShiGuang, ZHANG JianWei, WANG Bo, WANG LiJun. COMPASS time synchronization and dissemination——Toward centimetre positioning accuracy. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57(9): 1788-1804.